（控制理论与控制工程专业论文）基于ixp425的中继网关设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着i p 技术的发展，传统的p s t n 通信网络也在逐步向i p 网络方向发展，下一代网络 叫g n ) 是融合话音、数据和图像的多业务i p 网络，是未来通信网络的发展方向。中继网关 作为重要的软交换设备，实现了电路交换到软交换的平滑过渡。但是由于种种原因，成熟 的软交换网络商业应用还没有普遍，这就有必要探讨在现有的电信网络平台上，如何平滑 的过渡到软交换网络。 本文提出了一种通过对现在应用中的设备进行改造过渡到下一代网络的解决方案，通 过使用中继媒体网关，从而用低成本解决了由p s t n 到n g n 的过渡，极大的保护了现有的 投资。本文基于当前通信网络的实际情况，在相关参考文献的查阅和研究的基础上，通过 对目前中继网关研发现状的分析，设计了一种基于网络处理器i i l t e l i x p 4 2 5 的中继网关。 本文设计的中继网关在现阶段实现了广哈通信的软交换系统与广哈通信的h 2 0 2 0 之间的连 接，通过现场测试，基本达到了预期的效果，并在实现功能的同时保证了硬件的稳定性、 可靠性和可扩展性。 本文对基于网络处理器i x p 4 2 5 的中继媒体网关的设计进行了详细的讨论，希望可为从 事此项研究的人员提供一点参考。 关键词：软交换；中继网关；网络处理器；f p g a 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi pt e c h n o l o g i e s ，t r a d i t i o n a lp s t nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka l s o e v o l v e si n t oi pn e t w o r k sg r a d u a l l y n g n ，at y p eo fi pn e t w o r k , w h i c hm e r g ev o i c e ，d a t aa n d v i d e os e r v i c e s ，w i l lb et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h ef u t u r e a sa l l i m p o r t a n ts o f t - s w i t c he q u i p m e n t ，r e l a yg a t e w a yr e a l i z e s t h es m o o t ht r a n s i t i o nf r o mt h e c i r c u i t s w i t c ht ot h es o f t - s w i t c h h o w e v e r , f o rv a r i o u sr e a s o n s ，t h eb u s i n e s sa p p l i c a t i o n so f m a t u r es o f t s w i t c hn e t w o r kh a v en o ty e tw i d e s p r e a d i ti sn e c e s s a r yt oe x p l o r eh o wt os m o o t h t h et r a n s i t i o nt ot h es o f t s w i t c h e dn e t w o r k sb a s h e do nt h ee x i s t i n gt e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k p l a t f o r m 。 i n t h i sp a p e r , as o l u t i o n ，w h i c ht r a n s i tt ot h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kt h r o u g hm a k i n gt h e t r a n s f o r m a t i o nt ot h ep r e s e n ta p p l i c a t i o n se q u i p m e n t ，h a sb e e np r o p o s e d t h eu s eo ft m g , w h i c hs o l u t et h et r a n s i t i o nf r o mt h ep s t nt on g n t h r o u g hl o w - c o s t ，h a sp r o t e c t e dt h ec u r r e n t i n v e s t m e n tg r e a t l y b a s e do nt h ec u r r e n tr e a l i t i e so ft h ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，r e f e r e n c ea n d r e s e a r c ht ot h er e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t a t u so fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft gat y p eo ft g i sd e s i g n e db a s e do nt h en e t w o r kp r o c e s s o r - i n t e li x p 4 2 5 t h e r e l a yg a t e w a yd e s i g n e d i nt h i s p a p e r r e a l i z et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h eg u a n g h a c o m m u n i c a t i o n ss o f t - s w i t c hs y s t e m sa n dh 2 0 2 0 t h r o u g ho n - s i t et e s t i n g ，t h et gr e a c ht h e d e s i r e dr e s u l t s i tr e a l i z et h ef u n c t i o no ft h et gm e a n w h i l e ，i te n s u r et h es t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n d s c a l a b i l i t yo ft h eh a r d w a r e t h i sa r t i c l ed i s c u s st h ed e s i g no ft gb a s e do nt h en e t w o r kp r o c e s s o ri x p 4 2 5i nd e t a i l ，a n d b eh o p e dt op r o v i d ear e f e r e n c et op e o p l ew h oe n g a g ei nt h i ss t u d y k e yw o r d ：s o f i s w i t c h i n g ；r e l a y g a t e w a y ；n e t w o r k p r o c e s s o r ；f p g a 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 丝翌 日期 枷8 | z 奄 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：鍪鱼 指导教师签名： 型笪( 叁 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 研发中继网关的背景和意义 第一章绪论 目前，全球电信业正处于从现有网络向下一代网络科g n ) 演进的巨大变革之中。n g n 泛指一个以i p 为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合或部分融合的全业务网络。 n g n 不是现有电信网和i p 网的简单延伸和叠加，也不是单项节点技术和网络技术，而是整 个网络框架的变革，是一种整体解决方案【2 】1 3 】。根据业务与呼叫控制分离、呼叫控制 与承载分离的原则，可以将n g n 分为网络业务层、控制层、媒体层和接入传输层四个开放 的功能层次。网络业务层在呼叫建立的基础上提供额外的增值业务和智能业务，负责业务 相关的管理功能；控制层是n g n 网络的核心，主要涉及软交换相关的功能，包含呼叫控制、 资源管理、接续控制、实现各种信令协议的互通和转换等；媒体层将信息格式转换成为能 够在网络上传递的信息格式；接入传输层将用户连接至网络，集中用户业务将它们传递至 目的地。n g n 是以业务驱动为特征的网络，将业务从承载网中剥离出来，灵活地构建于一 个统一的开放平台上，由于平台的开放性和标准性，未来业务的开发者可能是运营商，也 可能是第三方，从而可以使业务的种类得到极大地丰富。n g n 是可以同时提供话音、数据、 多媒体等多种业务的综合性的、全开放的网络平台体系，可以归纳为三大特点：采用分层 的全开放的网络，具有独立的模块化结构；是业务驱动的网络，业务和呼叫控制完全分离， 呼叫与承载完全分离；是基于统一协议的分组的网络体系。而具有这些功能的下一代网络 关键技术是软交换。 根据国际软交换论坛的定义，软交换是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和 媒体处理相分离的设备和系统。因此，软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关 ( 传输层) 中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫传输与呼叫控制 的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。软交换主要提供连接控制、翻 译和选路、网关管理、呼叫控制、带宽管理、信令、安全性和呼叫详细记录等功能。与此 同时，软交换还将网络资源、网络能力封装起来，通过标准开放的业务接口和业务应用层 相连，从而可方便地在网络上快速提供新业务。 媒体网关在软交换的控制下，将一种网络中的媒体格式转换成另一种网络所要求的媒 体格式，它在n g n 中扮演着重要的角色，许多业务都需要媒体网关在软交换的控制下共同 实现，媒体网关的主要功能包括：用户或网络接入功能、核心媒体网络接入功能、媒体流 的映射功能、受控操作功能、管理和统计功能等。根据媒体网关在网络中的位置，可以将 其分为中继媒体网关( 本文中简称为中继网关) 、综合接入媒体网关和住宅媒体网关等。 中继网关是媒体网关的一种，位于软交换网络的接入层。它是跨接在p s t n i s d n 和软交换 网络之间的功能实体，主要在软交换设备的控制下，实现t d m 语音与分组语音之间媒体流 格式的转换。 综上所述，软交换的技术特点代表了网络的发展趋势，已经成为电路交换网的演进方 鹅2 贝武汉科技大学 硕十位论文 向，中继削天作为重要的软交换设备，实现了电路变换到较交换的平滑过渡。因此研发中 继网关具柯遵要的意义。 12 中继网关在系统中的地位 一 t 继州关向用户侧提供巾继接口鸭主要是e 1 ( 其详细| 兑明见本泛文第4 章第3 节) 或s t m l ( s t m 一1 指嘲络的光【】卡，其信号速率为1 5 55 2 0 mb p s ) 的电路接八。除此之外， 中继川戈与刚络中其他设备之间采用的均为i p 接口，其叶j 中继| 叫关j 软交换设备之i u 】是阱 泌连接，闩前1 要采川的是h2 4 8 协议或m g c p ，中继刚关 其他媒体刚关之问是媒体连 接，e 婴通过i p 网络承城语音流。 一i t 继州关主坚适用f 需监对p s t n “接局蜮长途局进行朴挠或新建时的改造。h 前比 较多的应川案例是川于对p s t n 长途瞒或札接局的改造。除此之外，c p 继网黄还川丁软交 换州络。jp s t n 的兀通。r t 继网关在软交换系统的位脊1 如h11 所小_ 5j 。 3 术文完成的工作 x i i1r i o 图ll 中继嘲笑在软变换系统的亿置 水文：成的i 作f 墨仃以f 儿。i ： 1 ) 阳要介“了例绗处删器成jc 撇，j 1 警娃，引时i x p 4 2 5f 软艇件 f ，佝体系作了比 较详细的晚 州。 2 1lr 卯j 介“j 叫继m 灭m f _ f l ! 什 u 跚娃 3 1lf 细介十hj 系统i ，f p g a 的设【i 。 4 1 介 “丁t l 一继h 天p c b 的i u 艘麒释 5 ) 介 “系统皈，：软f l l _ n 定r f “及j c 移机 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 2 1 中继网关的关键技术 第二章系统的总体实现方案 中继网关在系统中实现p r i 、q s i g 等p s t n 网信令与s i p 等i p 网信令的转换，以及电 路语音数据到分组语音数据的转换。下面是中继网关的几种关键技术【6 】。 1 ) 分组话音技术 要在基于i p 分组网络上传输话音，终端接入媒体网关必须将模拟的信号转换成一定长 度的数字化话音分组，而中继网关需要将话音转化为更加适合在i p 网络上传输的话音格 式。中继网关采用“存储转发”的方法，以分组的形式在分组网络上进行交换和传输， 即为分组话音技术。分组传输具有灵活高效的特点，更加可以提高网络利用率。 2 ) 语音编码技术 下一代网络的核心传输网发展方向是i p 网络。i p 网络是分组网络，网络状况变化比 较大，在分组网络中保证话音的传输质量要靠多种技术来实现。对话音进行编码传输技术 是其中的重要技术之一，不同的话音编码具有不同的传输速率和不同的声音质量。根据网 络状况选择不同的话音编码格式可以改进网络状况，增加话音传输质量。对于视频传输， 也存在同样的情况。 3 ) 高速数据总线技术 中继网关设备一般作为局端设备使用，使用时为了达到高端口密度、支持大容量线速 交换、提高内部数据传输速度、支持热切换插卡、降低话音包在网关内的传送时延，采用 高速数据总线技术，用来提供用户接入模块、d s p 模块、核心网接口模块之间交换内部数 据。 2 2 系统实现方案 媒体网关系统主要有下面两种实现方梨7 j ： 方案一：媒体通道和信令通道一起处理方案( 4 e 1 ) ，其整体结构框图如图2 1 所示。高 速处理器采用i x p 4 2 5 ，负责信令协议处理、数据搬运、i p 包打包处理等，实现e l 转v o i p 的 功能。 方案二：媒体通道和信令通道分开处理方案( 4 e 1 ) ，其整体结构框图如图2 2 所示。 主处理器采用i x p 4 2 5 ，负责信令协议处理；辅处理器采用a t m e l 公司的a r m 处理器 a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，负责数据搬运、打包工作。 两种设计方案优缺点的比较： 媒体通道和信令通道一起处理方案的硬件结构相对简单，需开发内容少( 仅需要开发 i x p 4 2 5 软硬件平台) ，可采用伪码实现h d l c ，f p g a 处理简单，成本相对较低，但i x p 4 2 5 的软硬件平台建立相对比较复杂。媒体通道和信令通道分开处理方案的模块功能明确，但 需要开发的内容多，需建立a t 9 1 r m 9 2 0 0 的软硬件平台，成本较高。 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 图2 1 方案一的整体结构框图 图2 2 方案二的整体结构框图 综合上面的分析，中继网关系统采用设计方案一。 2 3 系统功能特点 由于在中继网关中需要进行1 2 0 路的信令处理、i p 包的封拆包和搬运，所以i p 包的 封拆包和搬运需要消耗的资源在整个i x p 4 2 5 处理器中占用很大的部分。在设计中采用的 i ) ( p 4 2 5 可提供5 3 3 m i p s 的处理能力。根据广州广哈通信公司内置网关的使用经验估算， 1 2 0 路的v o i p 大约需要7 4 0 m i p s 的处理能力。而i ) ( p 4 2 5 仅仅才提供5 3 3 m i p s 的处理能 力。从处理能力上来看，i x p 4 2 5 不能完全实现中继网关的4 路e 1 的功能。但根据i n t e l 网络处理器的使用经验，通过优化t c p i p 协议栈，可以提高网络处理器的处理能力。在 优化t c p i p 协议栈的情况下，中继网关使用i x p 4 2 5 具备处理4 路e 1 ( 1 2 0 路) v o i p 的 武汉科技大学 硕士学位论文第5 页 能力。 本系统的中继媒体网关具体功能及其特点如下： 1 ) 中继容量：每个网关卡带有4 个e 1 口，可以实现1 2 0 路的话音传真数据。 2 ) 语音处理：为了避免回声对通话质量的影响，网关设备集成了d s p 回声控制芯片， 具有话音活动检测和静音压缩功能，以达到节约带宽，提高带宽利用率的目的。网关必须 设有输入缓冲，以尽可能地消除时延抖动对通话质量的影响。语音编码的动态转换也是网 关设备在i p 语音q o s 管理方面的个重要功能。 3 ) 呼叫处理与控制能力：通过相关的信令检测p s t n 侧用户占线、无应答等状态； 可以根据网关控制器的指示生成回铃音等。 4 ) 资源管理和控制功能：对t d m 电路终结点的阻塞管理和释放。当资源耗尽时， 向媒体网关控制器指示不可用等功能。 5 ) 系统功能特点：支持p r i 的q 9 2 1 、q 9 3 l 信令( 用户侧) ；在语音处理方面提供 g 7 1 1 、g 7 2 3 、g 7 2 9 等压缩算法；支持g 1 6 8 2 0 0 2 回波消除；提供v a d c n g 功能；提供 传真处理功能，p s t n 侧提供z 3 0 标准协议，分组侧符合z 3 8 协议；网络协议：n a t 、静 态i p 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章网络处理器及其微引擎的介绍 3 1 网络处理器的定义及其功能 网络高速发展，对下一代网络设备提出了以下要求：具有优异性能，支持高速分组处 理；具有高度灵活性，支持不断变换高层网络服纠引。传统的基于通用处理器( g e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r , g p p ) 的网络设备只满足灵活性要求：基于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的网络设备只满足高性能要求；网络处理器能够通过灵活的软件体系提供 硬件级的处理性能，基于n p 的网络设备具有高性能和灵活性。因此，对交换机智能化与全 部7 层的线速处理的要求导致了网络处理器的产生，可编程的n p 给系统提供了极大的灵活 性，与此同时还具有数据发送的高速性。不同的协议( 女i t c p i p , a t m ) 包头信息和格式是完 全不同的，为了面向不同的网络协议和网络服务，需要网络处理器具有可编程和可重载功 能，以便随技术的发展而进行现场升级。根据国际网络处理器会议的定义【9 1 ：“网络处理器 ( n p ) 是一种可编程器件，它特定地应用于通信领域的各种任务，比如包处理、协议分析、 路由查找、声音数据的汇聚、防火墙、q o s 等”。其主要的功能包括以下几部分【1 0 】： 1 ) 协议识别和分类：根据数据包的协议类型、端e l 号、目的地址以及其它特定于协议 的信息对数据包进行识别。 2 ) 拆装和重组：数据包的拆分、处理以及为转发而重组。 3 ) 排队和接入控制：识别出数据包之后，将这些数据包送往相应的队列中以进行下一 步处理，如优先处理、流量整形等。同时，可根据某些安全接入策略进行数据包过滤，确 定是继续转发，还是丢弃。 4 ) 流量整形和流量工程：某些协议或应用要求对流量进行整形以使之在进入输出线或 输出光纤时满足时延和时延抖动的要求。 5 ) q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 币l c o s ( c l a s so f s e r v i c e ) ：除了对数据包进行流量整形外，还可 以将其打上标签送往下一网络节点进行更加有效的处理。 6 ) 修j 下数据包：编辑数据包并添加额外的信息。 7 ) 差错检测：正确检测来自数据链路层的有差错的数据包并能采取有效的处理措施。 虽然传统的c p u 包含的通用指令集可以处理上面所列的各项任务，但网络处理器可以通过 增加指令、优化体系结构、设置硬件加速器等方法，使任务的执行速度更快。 3 2 网络处理器的结构及其特性 网络处理器存在于物理接口器件与交换结构之间。网络处理器硬件结构一般包括多个 片内处理器、丰富的i o 接口单元、高速多总线单元以及专用协处理单元等1 1 1 。 1 ) 片内处理器 网络处理器一般包含多个片内处理器，构成多处理器系统。这些片内处理器可按任务 分工大致分为控制平面的处理核心和数据平面的转发微引擎两种类型。前者用于控制平面 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 的系统维护、管理以及复杂数据处理，一般用通用的r i s c 核实现；后者用于数据平面的快 速包处理，提供包分类、调度等服务功能，一般具有专用的精简指令集，这些指令专门针 对网络数据包处理而优化设计的，例如数据块传输、状态判断、堆栈操作、哈希查找等， 设备制造商可以通过微码编程实现各种协议和业务。转发微引擎一般有几个甚至几十个， 每个微引擎又包含多个硬件线程，每个线程都有一套专门的硬件来存放程序运行的上下 文，可获得线程切换的零开销。 2 1 高速i o 接口单元 网络处理器有丰富的i o 接口单元，包括物理链路接口、交换结构接口、存储器接口以 及与其他外部处理部件的接口等。 3 ) 内部高速总线 多组处理器和i o 接口单元通过内部高速总线( 一般为多总线结构) 连接在一起，组成优 化的数据通路结构，从而提供很强的硬件并行处理能力。 4 ) 专用协处理器或称专用硬件加速处理单元 采用专用硬件实现高速处理( 线速) 的通用功能模块，以提高系统性能。 f i c r c 效验、 哈希查找、字符匹配；针对安全产品，提供加解密、大数运算等硬件单元。 网络处理器主要有如下几个技术特性： 1 ) 可编程性。网络处理器的这种特质可以使设备制造商通过修改微码和升级软件以 快速满足各种网络通信业务的需求，而不用更改替换任何硬件，从而改变a s i c 灵活性差的 缺点。如通过网络处理器可编程性就可以实现对下一代网络协议i p v 6 技术的支持。 2 ) 并行处理。网络处理器可实现不同级别的并行处理：通过多级流水线实现指令级的 并行，通过硬件多线程实现线程级的并行，通过片内多处理器结构实现处理器级的并行。 3 ) 高速数据处理。网络处理器自身的硬件结构为达到线速包处理能力提供保障，避 免节点设备成为瓶颈。 4 ) 深层数据处理。也叫智能处理( i n t e l l i g e n tp r o c e s s i n g ) 。根据不同的服务要求，可对 分组( 帧) 进行不同深度的处理。例如路由查找只需处理第3 层( i p 头部) ，分类需要处理到第4 层( t c p u d p 协议) ，而安全则需要处理到应用层( 分组携带的有效载荷) 。 5 ) 模块化设计。网络处理器体系结构的模块化也包含不同的层次：硬件层面和软件层 面的模块化。通过模块化设计，力图在保持高性能的基础上获得很好的可扩展性和灵活性， 并能使设备厂商容易研发不同性能和不同特性的设备。 6 ) 可扩展性。网络处理器的可扩展性同样包含硬件可扩展性和服务可扩展性。前者 指网络处理器除了可以用来研制小型设备，还可以通过交换机构的连接研制大型设备。后 者是指可以在对原有软件结构做很小改动的基础上加入新的服务和功能。 3 3 微引擎设计 虽然控制平面的处理核心和数据平面的转发微引擎都有r i s c 核，但是，控制平面用 r i s c 核与数据平面用r i s c 核两者架构和指令的设置却有很大的区别。首先，前者主要负责 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 整个网络处理器的管理和控制，同时负责协议帧的处理和上层应用程序的处理；后者主要 实现数据包的线速处理转发，微引擎编程使用一套专为网络数据流处理应用定制的指令 集，去掉了通用r 1 s c 芯片中对协议及包处理用处不大的部分，同时保留了r i s c 指令长度一 致、单周期执行时间、易于并行和流水线处理等优点。其次，前者处于慢速通道中，一般 采用通用r i s c 核可以满足要求( 如a r m 9 、p o w e r p c 、m i p s ) ，后者处于快速通道中要求 能线速转发，所以。网络处理器的微引擎大多采用并行处理与通信机制、多线程切换控制 机制、块传输机制、多总线机制、灵活访存机制等，而这些机制是通用r i s c 核天生所不具 备的。 微引擎设计有如下特征：微码指令采用5 级流水线执行，执行周期为1 个时钟周期即 p o 为指令预取，p 1 为指令译码并形成源寄存器地址，p 2 为从源寄存器地址读操作数，” 为执行算术逻辑运算或移位类操作并产生条件码，p 4 为写结果到目标寄存器。设置2 组通 用寄存器a 和b 阻方便同时取用2 个源操作数；每组通用寄存器可以被4 个线程绝对共享也 可以分成4 小组分别由4 个线程相对独立使用。相应地，在微指令的编址方式中也设置了绝 对地址和线程相对地址两种模式。设置很大的传输寄存器集，单个指令就可以实现功能单 元之i h j 6 4 b y t e 的数据块移动能单元与总线单元之问1 2 8 b y t e 的数据块移动。块数据移动在 充分利用微引擎计算资源的同时，还可以减小微码程序规模。设置多个独立数据总线和控 制总线，可以实现数据并发移动：s d r a m 单元和微引擎或总线单元之间的双向同时读写； s r a m 单元和微引擎或总线单元之问的双向同时读写；s d r a m 单元和p c i 单元之间读写； 总线单元和微引擎之间读写。 3d 高速网络处理器i x p 4 2 5 的介绍 中继网关的高速网络处理器采用i n t e l 公司的i x p 4 2 5 1 ”】，其功能框图如图3i 所示。 幽3li x f 4 2 ： 功# b 性豳 i x p 4 2 5 在硬件卜具备以f 特点【13 i 【4 】： 支持p c i 接 i 。i x p 4 2 5 具有一个3 2 位、6 6 m h z 的符合p c i v 22 标准的p c i 控制 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 器，可以工作于主模式或从模式。当工作于主模式时，通过读取x s c a l e 上的配置寄存器来 实现该模式；当工作于从模式时，通过p c i 总线来读取外部p c i 设备上的信息来实现该模 式。 3 2 位地址总线( 其中高8 位地址线为片选信号) ，总线时钟最大支持6 6 mh z 。 支持2 个m i i ( 媒体独立接口) 。 采用高性能的i n t e lx s c a l e c o r e 内核【l5 1 ，3 2 ki - c a c h e ，3 2 kd c a c h e ，可选频率 2 6 6 m 0 0 m 5 3 3 mh z 。 内置3 个高性能网络处理器内核( n p e m n p e b n p e c ) 。i x p 4 2 5 具有三个功能不同 n p e ( n e t w o r kp r o c e s s o re n g i n e ) 。n p ea 和n p eb 主要通过m l l 接口与外界联系，完成以 太网m a c 层的功能，但n p eb 同时还要承担s h a 1 m d 5 、d e s 、3 d e s 、a e s 等数据加 密和认证的任务；剩下的一个是广域网音频n p ec ，它通u t o p i a 、高速串行接口h s s 与外界联系，具有a a l ( a t ma d a p t a t i o nl a y e r s ，异步传输模式适应层) 和h d l c ( h i g hl e v e l d a t al i n k c o n t r o l ，高层数据链路控制) 单元。 内置3 2 位s d r a m 内存控制器。s d r a m 内存控制器用来管理外界的s d r a m 芯 片，它工作于1 3 3 mh z ，同时支持8 个打开的页面，具有两个b a n k 支持从8 mb y t e 到2 5 6 m b y t e 的内存配置。该内存控制器仅支持3 2 位内存，当使用1 6 位的内存时，至少需要两片 内存级联来实现i x p 4 2 5 需要的3 2 位内存要求；i x p 4 2 5 最多可以使用4 片内存。内存控制 器内部分别采用不同的接口与北a h b 和南a h b 相连，这种结构使得s d r a m 能够交互的、 管道的进行数据传输，发挥其最大的传输性能。s d r a m 接口支持8 个3 2 位字的最大突发 长度，在北南a h b 之间找到了最佳的性能公平性的平衡点。 u s b1 1d e v i c e 。i x p 4 2 5 的u s b l 1 接口支持全速运行和1 6 个端点并包含了一个 集成的收发器，其中1 6 个端点为6 个同步端点( 三个输入三个输出) 、一个控制端点、三个 中断端点以及六个松散端点( 三个输入三个输出) 。 8 位u t o p i a 2 接口支持多个a d s l g s h d s lo rv d s lp h y 。 2 个h i g h - s p e e ds e r i a l ( h s s ) 端口，可连接t 1 e 1 或s l i c c o d e c s 。 8 个h d l c 控制器。 内置硬件加密加速器，支持( a e s a e s c c m 3 d e s d e s s h a 1 s h a 2 5 6 s h a 3 8 4 s h a 5 1 2 m d 5 r s a d s a d i 币e h e l l m a na l g o r i t h m s ) 等协议。 2 个高速串口支持9 2 1 k 波特率。 共有四个工作于6 6 6 m h z 的3 2 位定时器，用于任务调度和防止软件死锁，分别为 看门狗定时器、时间标准定时器和两个通用定时器。 低功耗，5 3 3 m 频率下典型功耗为1 0 w - 1 5 w 。 4 9 2 - b a l lp b g a 封装，3 5 m mx3 5 m m ， 1 2 7 r a mb a l lp i t c h i x p 4 2 5 的扩展总线( e x p a n s i o n b u s ) 支持多种类型的i o 访问，可兼容i n t e l 、m o t o r o l a 微处理器风格的总线模式和t id s p 标准模式的h o s t p o r ti n e r f a c e ( h p i ) 。这些模式全部支 持无缝连接，不用外加逻辑。扩展总线有8 个片选信号和2 4 位地址总线，共可访问2 5 6 m b y t e 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 的空间【l6 j 。系统初启动时，扩展总线有一个通用配置寄存器e x pc n f g o ，它会读入2 4 b i t 扩展地址引脚值，设置其f l a s h 的数据位宽，并把地址线设置为输出。重启后扩展总线被初 始化为一个具有保守( 宽松) 时序，且c s 0 作为f l a s h 的片选，使得系统从f l a s h 启动代码。 在上电或复位时，扩展总线地址输出被配置为输入状态，b i t 的状态被捕获并存储在 配置寄存器的b i t 2 3 ：0 捕获发生在同步释放复位信号的第一个周期。扩展总线的地址线有 内部上拉，如要将b i t 设定为0 ，可以通过增加弱下拉电阻4 7k q 改变这些值，实现对 i x p 4 2 5 的配置。比如，通过状态的b i t3 l 可以决定芯片级别的使用的内存映射。系统复位 时，这个b i t 为“1 并且内存映射放置扩展总线地址从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 到o x o f f f f f f f 。它 允许b o o t 代码存储在f l a s h 。一旦b o o t 顺序完成，b i t3 l 被写为“0 ，默认的系统内 存映射到放置s d r a m 控制器在从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 0 f f f f f f f 。扩展总线控制器地址位 于从0 x 5 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 5 f f f f f f f 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第四章网关硬件设计 中继网关采用主板和子板分离的设计方式，子板采用插卡的方式与主板相连接。这样 设计方便了网关功能的扩展。中继网关系统电路结构框图如图4 1 所示。本章将详细介绍 网关电路各个模块的设计。 图4 1 中继网关系统电路结构框图 4 1 中继网关主板电路的设计 4 1 1 系统的复位和上电电路 在i x p 4 2 5 中存在多个复位信号【i6 】f 1 7 j ，p w r o nr e s e tn 、r e s e ti nn 、 j t gt r s tn 。p w r o nr e s e tn 信号被用来在上电p l l 已经达到锁定状态之后，复位 内部逻辑到一个确认的状态，p w r o nr e s e tn 是一个1 3 v 的输入信号( 注意仅仅兼容 1 3 v 电平) 。在上电之后以后，r e s e ti nn 信号是设备的复位输入。j t gt r s tn 用 于i e e e1 1 4 9 1j t a g 接口的复位。i x p 4 2 5 的上电及其复位电路电路如图4 2 所示。 设计中将r e s e ti nn 和j t gt r s tn 共同连接到m a x 7 0 6 r 的r s t 输出，作为整 板系统复位。m a x 7 0 6 r 实现3 3 v 电源电压的监控、看门狗、整板输入复位控制功能。 r e s e ti nn 经过一个开漏输出的缓冲器以后就是p w r o nr e s e tn 信号。m a x 7 0 6 输 出的r e s e ti nn 信号作为系统复位信号连接到中继网关的f p g a 、f l a s h 等外部设备。 保证可靠的复位。全局复位控制r e s e ti nn 直接接到i x p 4 2 5 的复位管脚上。 p w r o n 烈n 管脚需要一个+ 1 3 v 电平的信号，因此采用一个开漏的信号驱动器 s n 7 4 l v c l g 0 7 ，将信号输入到s n 7 4 l v c l g 0 7 的输入端，输出端上拉n + i 3 v 从而满足 p w r o ni nn 关于电平的要求。由于p w r o nmn 是由r e s e t 跗n 信号经过开漏的 信号驱动器来得到，因此p w r o ni nn 信号至少要比r e s e ti nn 延迟最少1 5n s 4 2 第1 2 页武汉科技大学 硕士学位论文 邶的时间。在r e s e ti nn 信号上进行4 个非门以后( 利用非门的器件传输延时来做信号 的延时) ，再连接到i x p 4 2 5 的r e s e ti nn 管脚上。 u ii 甲一。r ： 乒。中槲。1 ， ：| ：i 一0 ：，：- 南r j c j 吐j 矗j m a 参： _ _ ：l ：0 ：眇婶哪峨忡艘渖：曩 吨妇t l i 二是：。；、j 。i 一一。一。：f 一l 叫，：一，“ 一。一。 图4 2i x p 4 2 5 的上电及其复位电路 在i x p 4 2 5 处理器电压( v c c ) 之前1us ，必须供给电源3 3 v 输a , 输出电压( v c c p ) 。 i x p 4 2 5 电压( v c c ) 不一定在3 3 一v 输入输出电压( v c c p ) 之前变稳定。v c c o s c 、v c c p l l l 和v c c p l l 2 电压跟随v c c 上电。v c c o s c p 跟随v c c p 上电。t p o w e ru p 的值必须是 至少1us 。 4 1 2i x p 4 2 5 通用i o 口的电路设计 i x p 4 2 5 提供1 6 个通用功能的输入输出管脚( g p i o 1 5 ：0 】) ，用于来产生和捕获应用指 定的输入输出信号。每个管脚可以单独配置为输入输出。当配置为输入时，g p i o 1 2 ：0 可 作为中断源。g p l 0 1 4 、g p i o l 5 被编程为提供一个用户可编程的频率为3 3 m h z 时钟源。复 位期i b j ，全部g p i o 管脚配置为输入，并且保持这个状态直到进行配置。每个g p i o 管脚 都能驱动l e d 。当g p i o 用来作为外部中断源时，有中断能力的管脚能使用高、低电平、 上升沿和下降沿变化触发。g p i o 1 3 ：0 是通用可配置i o 管脚，g p i o 1 2 ：0 能用来捕获连接 到g p i o 接口的外部1 0 设备的中断。g p l 0 1 4 、g p l 0 1 5 配置为时钟输出。i x p 4 2 5 芯片的 通用g p i o 1 4 ：1 0 被连接到串行配置设备的d a t a 、d c l k 、a s d i 、n c s 、n c o n f i g 等管脚， 用于远程更新f p g a 的设计。 在i x p 4 2 5 中，u s b 接口、u t o p i a 接口、p c i 接口没有使用，但相关接口中的某些 输入管脚需要进行上下拉处理。 4 1 3f l a s h 与i x p 4 2 5 连接电路 中继网关上用了两片n o r 型f l a s ha m 2 9 l v 6 4 0 m 作为系统的b o o tr o m ，为系统提供 1 6 mb y t e 的存储空间，用于保存b o o t l o a d e r 、嵌入式l i n u x 、文件系统及其应用程序。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 a m 2 9 l v 6 4 0 m 使用0 2 3 i ，t m 工艺生产，主要规格如下：电源电压为单一的+ 3 3 v 、非同步 访问时间为9 0 n s 、页面模式下的访问时间为2 5 n s 、写入时间为6 “s ( 具备1 6 字节的写入缓 存) ；擦除时间为1 0 0 i _ t s ( 擦除区段为6 4 k b ) ；字节结构为x 8 x 1 6 ；数据保持时间为2 0 年 ( 温度低于1 2 5 下) ；可擦写次数为1 0 万次；其封装有四种，本处选用5 6 引脚的t s o p 封装型号的a m 2 9 l v 6 4 0 m 。f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复 位后从此处获取指令并开始执行，因此，应将i x p 4 2 5 扩展总线的片选c s o 接至 a m 2 9 l v 6 4 0 m 的c e # 端。b o o tr o m 映射在x s c a l e 处理器的0 x 0 0 地址。在系统上电 或者复位时，i x p 4 2 5 从地址0 x 0 0 执行指令【l 引。 f l a s h 模块电路图如图4 3 所示。a m 2 9 l v 6 4 0 m 的b y t e 管脚通过电阻上拉，将其配置 为1 6 位存储方式。i x p 4 2 5 处理器内部不能设置地址的错位，在于f l a s h 的连接时，应该 根据实际情况对地址线进行处理。这是因为i x p 4 2 5 是基于8 位地址译码的，访问f l a s h 存 储器时，因为存储器是1 6 位，所以地址增量是2 ，存储器的奇地址空间就没有被使用，故 i x p 4 2 5 应该与f l a s h 的地址线应该错开一位连接，即将i x p 4 2 5 的地址线a 2 3 - a 1 分别与 f l a s h 的地址线a 2 2 一a 0 对应连接，i x p 4 2 5 的地址线a 0 和f l a s h 的地址线a 2 3 接地。 图4 3f l a s h 模块电路图 4 1 4 s d r a m 与i x p 4 2 5 连接电路 s d r a m 是s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( 同步动态随机存储器) 的 简称，是嵌入式系统中